不同雾化模式下乙醇静电喷雾冷却换热特性

为揭示静电喷雾冷却过程传热强化机制,设计搭建了静电喷雾冷却传热实验台,对比研究了滴状、微滴、锥射流及多股射流模式下的喷雾粒径、喷雾速度等雾化特性,分析了雾化模式及工质流量对冷却换热性能的影响规律。研究结果表明,随着电压逐渐增加,喷雾粒径不断减小、喷雾速度不断增大,且电场力逐渐主导液体破碎及喷雾液滴撞击换热面过程;此外,随着雾化模式由滴状/微滴转变为锥射流/多股射流时,电场力可有效促进单相换热区的喷雾液滴铺展以及抑制过热状态下的液滴反弹,使核态沸腾阶段向更高表面温度方向延伸,喷雾冷却换热能力显著提升。     

喷雾冷却中液滴冲击壁面的流动和换热

喷雾冷却中液滴冲击壁面的流动和换热强弱可用铺展系数和冷却效能的大小来反映.本文利用Volume-of-Fluid(VOF)方法,对初始直径在50～150 μm,初始速度在1.0～10.0 m/s之间的单个液滴冲击恒温发热表面的情况进行了数值模拟.模拟结果表明,增加液滴的初始速度和直径会扩大液滴的铺展范围,即铺展系数增大;液滴的初始直径越小、速度越大,则其冷却效能越大,即冷却能力越强.定量结果对喷雾系统的设计具有重要意义.     

微纳复合结构表面稳定润湿状态及转型过程的热力学分析

自然界中的微纳复合结构超疏水表面由于其独特的润湿性质引起了人们的广泛关注, 大量实验研究表明了仿生人工微纳复合结构表面润湿性能的优越性, 然而液滴在微纳复合结构表面的润湿状态和转型过程的理论研究还并不完善. 本文首先用热力学方法分析了液滴在微纳复合结构表面可能存在的所有状态(四种稳定润湿状态和五种亚稳态到稳定态转型中的过渡态), 推导出了相应的能量表达式及表观接触角方程; 基于最小能量原理, 确定液滴在微纳复合结构表面的稳定状态, 较以往模型相比, 能够更好的预测已有的实验结果; 其次研究了微纳结构尺寸对稳定润湿状态和亚稳态到稳定态转型过程的影响; 最后提出了微纳复合结构表面设计原则, 即确定“超疏水稳定区”尺寸范围, 为超疏水表面的制备提供理论依据.     

毛细微槽结构表面的喷雾冷却可视化研究

本文利用高速摄影仪对具有矩形毛细微槽群结构的加热表面进行喷雾冷却的传热特性进行了可视化实验研究.研究结果表明;喷雾冷却与毛细微槽结构相结合可实现高效率的相变换热过程;随着壁面温度的增加,槽表面经历了槽面完全被水浸没区、薄液膜区、部分干涸区和完全干涸区四个不同阶段;低温区主要是界面蒸发传热方式,高温区主要是沸腾换热方式.     

微纳耦合表面池沸腾强化传热的实验研究

以去离子水为工质,拟在钛板表面利用线切割进行微槽处理,采用阳极氧化法制备出二氧化钛纳米管阵列的微纳耦合表面,研究该表面的强化沸腾传热性能.通过场发射扫描电镜表征其微观结构形貌,利用接触角测量仪检测表面的静态接触角.结果表明,与光板相比,微槽结构增大了传热表面,规整的纳米管阵列具有亲水特性,接触角明显减小,微纳耦合表面的传热系数和临界热流密度分别达到了15.5 kW·m~(-2)·℃~(-1)和420.1 kW·m~(-2),分别提高了158.3%和50%,结合实验现象及机理分析可知,微纳耦合表面的微通道结构为气泡继续生长提供了支撑,有效避免了换热壁面被合并的大气泡完全覆盖;过热度达到一定温度后,更小的活化中心被激活,过热度随着热流密度的上升出现下降的趋势。微纳耦合表面对池沸腾具有强化作用。     

铜基镍纳米锥表面喷雾冷却的实验研究

本文实验研究了镜面抛光铜表面和两组不同高度镍纳米锥表面的喷雾冷却换热特性。接触角的实验与分析发现,纳米锥表面的接触角远小于抛光铜表面,且纳米锥高度越高,接触角越小。三组表面在喷雾冷却单相换热区换热性能相近,抛光铜表面换热性能略优。纳米锥表面在喷雾冷却两相换热区展现出更强的换热性能,且纳米锥高度越高,接触角越小,换热性能越好,CHF越高。     

阵列喷嘴干冰喷雾冷却特性数值研究

针对高热载荷电子设备散热冷却问题,开展阵列喷嘴干冰升华喷雾冷却特性数值模拟研究。分析了阵列喷嘴入口速度、喷雾高度和模拟热源加热热流密度对干冰喷雾冷却特性和温度均匀性的影响。结果表明：入口速度50 m/s时,热源表面平均温度达到最低值276.3 K;喷雾高度为3 mm时,热源表面的温度均匀性效果最佳。提高干冰入口速度和降低喷雾高度可强化冷却效果和热源表面热均匀性,模拟热源加热热流密度对干冰喷雾冷却换热系数影响不明显。     

液滴撞击超亲水表面的最大铺展直径预测模型

液滴撞击超亲水表面铺展之后形成的薄液膜铺展直径是喷雾冷却、降膜蒸发等传热传质过程的一项关键控制参数.以往模型在预测超亲水表面惯性力驱动下的最大铺展直径时,存在低韦伯数下呈反常趋势、高韦伯数下预测值偏低等问题.针对上述问题,本文采用高速摄像技术研究液滴撞击过程中的铺展水力学特性,发现了以往模型未完全考虑超亲水表面的铺展特性:球冠状液膜、高黏性阻力及重力势能做功.本文考虑了液膜球冠形态、重力势能、辅助耗散,修正了以往最大铺展直径的预测模型,并建立了适用于超亲水表面最大铺展直径的预测模型.通过对铺展过程中各能量成分分析发现,在超亲水表面上动能、表面能、重力势能均转化为黏性耗散能,其中:在低韦伯数下,表面能转化为黏性耗散能占主要作用;在高韦伯数下,动能转化为黏性耗散能占主要作用.并且,在低韦伯数下,重力势能和辅助耗散的引入对于准确预测超亲水表面最大铺展直径具有重要作用.将模型预测结果与实验结果比较发现,本模型成功消除了以往模型在低韦伯数下的反常趋势,且能较好预测宽韦伯数范围下超亲水表面最大铺展直径.同时,本模型可以预测亲水和疏水固体表面的液滴最大铺展直径.超亲水表面最大铺展直径的准确预测模型的提出对喷雾冷却,降膜蒸发中提高和控制流体铺展距离和传热效率具有重要意义.     

液滴撞击壁面铺展及换热过程数值模拟

基于喷雾冷却时液滴撞击壁面现象,本文采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法对不同工况下单液滴撞壁过程进行数值模拟,获得了单液滴撞击热壁面动态特性;分析了初始速度、液滴直径等初始参数对液滴撞壁后的动态铺展规律以及壁面换热特性的影响规律,获得了上述参数变化时液滴铺...     

超疏水聚合物表面的水滴蒸发模拟

基于质量守恒和Fick第一定律，模拟了水滴在超疏水聚合物表面的蒸发全过程．研究从以往的接触角<90±扩展到>150±，液滴形貌扩展为椭球球帽模型进行疏水表面蒸发模拟．水滴在超疏水PC和FPU/PMMA表面蒸发的实验结果显示，计算的椭球球帽模型可以更好的反映出液滴接触角和高度的变化情况，并且不同聚合物表面接触角的相同变化趋势也揭示出微-纳二级结构表面结构不仅影响液滴接触角，也影响液滴蒸发模式．     

高效微射流阵列冷却热沉传热特性

微射流阵列冷却热沉是利用射流冲击在驻点区能产生很薄的边界层来提高换热效率,本次研究设计的热沉是5层结构的模块式铜微射流阵列冷却热沉,以去离子水为工质对传热特性进行了实验研究.结果表明,采用微射流阵列冷却不仅能通过增加驻点数目来强化换热,而且能有效地降低换热表面的温差.热沉的热阻会随着泵功的增加而降低;随着泵功的不断提高,热阻变化趋于平缓.     

光滑表面与切槽表面喷雾冷却的实验研究

本文通过改变喷雾的流量(压力)、喷射高度和喷射倾斜角对平板和切槽表面喷雾冷却进行了实验研究。实验用的强化表面是将表面切割出0.2mm高、0.2 mm宽的方形翅块。实验结果表明:流量、喷射高度均存在最优值,大的喷射倾角会削弱冷却性能;对比同样条件下的平板表面,切槽表面显著强化了喷雾冷却的性能,对流换热系数提高约30%。     

超疏水翅片表面的抑霜机理和融霜特性

制备了具有微纳复合结构,表面接触角和滚动角分别为159.7°和4.2°的超疏水翅片。通过可视化观测,揭示了超疏水翅片表面的抑霜机理和融霜特性,并与亲水翅片进行了对比。结霜初期,超疏水翅片表面的凝结液滴分布稀疏,呈Cassie状态;亲水翅片表面的凝结液滴分布密集,呈铺展状态,几乎覆盖整个翅片表面。超疏水翅片表面与霜层间实际接触面积小,换热热阻大,使其被霜层覆盖后仍可有效抑制霜层生长。融霜时,超疏水表面的弱黏附性导致霜层整体从翅片表面剥离和脱落,缩短了融霜时间,减少了滞留水量。     

合成双射流与小型复合结构翅片组合散热参数影响

为了保证电子设备能有足够长的工作寿命并可以在高热流下安全运行, 必须可靠而经济地解决高温设备的散热冷却问题. 为解决狭小空间板翅式翅片强化换热能力有限的问题, 基于纵向涡强化换热理论, 提出了合成双射流与表面微凸起复合结构翅组合散热方法. 利用Fluent数值模拟软件对合成双射流作用下的复合结构翅片内部气体流动特性及其强化换热特性进行了研究. 仿真结果表明表面微凸起复合结构翅片的肋片附近Y方向涡量是传统光滑肋片的2倍以上, 换热性能增加10%. 合成双射流驱动频率在500 Hz时, 具有均匀的温度分布以及更好的散热效果; 合成双射流峰值速度下散热效率更好.      

激光手术喷雾冷却中单液滴蒸发理论模型的比较

制冷剂喷雾可对激光治疗葡萄酒色斑过程进行有效冷却以保护表皮不受热损伤,其瞬态喷雾冷却过程涉及复杂的液滴蒸发、强烈的对流换热和质量传递.本文对描述制冷剂喷雾平衡蒸发阶段单个液滴蒸发的理论模型进行改进,比较了基于各种假设的七个气相传质模型对R-134a喷雾冷却过程中单个液滴蒸发特性的影响,发现考虑过热影响的气相模型所预测的蒸发过程最接近实验结果,用该模型研究了液滴初始直径和速度等参数对液滴蒸发特性的影响.     

水平强化管外降膜蒸发特性的实验研究

降膜蒸发因其低充灌量和高换热性能在制冷行业逐渐受到关注。本文对三种具有不同强化表面的换热管,以R134a为工质进行了水平单管管外降膜蒸发实验。研究结果表明:强化管外换热系数不仅与热流密度有关,还与喷淋量有关,且在一定热流密度范围内,存在最优喷淋量;对于不同强化表面,降膜蒸发换热为管外多孔结构密度与齿化结构密度的综合表现,多孔结构密度与齿化结构密度越高,降膜换热系数也就越高。     

微纳跨尺度结构ZnO表面的壁面减阻特性

通过化学气相沉积方法获得了具有良好超疏水特性的微纳跨尺度结构ZnO表面, 其表面接触角为150.7°.扫描电镜(SEM)的测试结果表明, 样品结构为ZnO微米柱阵列和在上面交织生长的高密度ZnO针状纳米线的复合结构.通过流变仪, 采用分步流动模式对样品表面在不同的剪切速率和不同间距的情况下进行测量, 得到了扭矩与剪切速率之间的关系.进一步选择覆盖硅烷的光滑Si表面作为对比样品, 选用40％的甘油作为试验液体, 当剪切速率接近20 s^-1时, 测试的表面滑移长度为46.8 μm.这表明微纳跨尺度结构的ZnO表面可有效增加流体减阻特性, 有利于制备具有减阻效应的微器件.     

微射流阵列冲击恒热流壁面换热数值模拟

微射流冲击作为一种高热流冷却技术,在大功率激光器、微电子芯片等微型高热流器件冷却方面有广阔应用前景.本文对微射流阵列冲击恒热流表面的换热情况进行数值模拟,详细分析了微射流阵列的换热特点,对比了射流孔顺排和叉排方式的冷却性能,得出射流入口雷诺数、射流孔间距、射流高度等因素对冷却特性的影响规律.     

平面复合金属微纳结构的圆二色性研究

圆二色性效应在圆偏振器、光调制器及光电器件等方面具有广泛的应用.为提高平面金属微纳结构的圆二色性,本文设计了由无限长纳米线和G形微纳结构组成的平面复合金属微纳结构,并应用有限元方法研究了该阵列微纳结构的圆二色性特性.数值计算结果显示,在圆偏振光的激发下,G形微纳结构和平面复合金属微纳结构均出现了电偶极子、电四极子和电八极子等共振模式.当G形微纳结构与无限长纳米线连接时,各共振波长均发生红移,并且无限长纳米线增加了不同圆偏振光激发下的局域表面等离激元共振强度,从而使得平面复合微纳结构的圆二色性信号明显增强.此外,还研究了平面复合微纳结构阵列的几何参数对其圆二色性特性的影响.这些结果为提高平面手性微纳结构的圆二色性信号强度提供一定的指导思路和方法.     

小热管强化传热的研究

对五种内径相近的小热管在不同工怍温度(Tv)、热流密度(qe)及倾角(θ)下的传热性能进行了实验研究。五 种热管带有不同吸液芯结构:微肋、丝网芯、加网芯微肋、金属粉末烧结芯及光滑表面。获得了各热管的蒸发换热系数和 冷凝换热系数随(Tv)、(qe)及(θ)等的变化规律,讨论了吸液芯结构等对热管蒸发及冷凝换热系数的影响。